В современном мире безопасностью можно управлять даже из космоса. Для осуществления этого и предназначены спутниковые системы. Принцип работы спутниковой системы является предметом рассмотрения данной статьи.

Считается, что спутниковая навигация появилась 4 октября 1957 года - тогда был запущен первый искусственный спутник Земли. Первая спутниковая радионавигационная система, позволяющая определять координаты объекта при помощи радиосигналов, поступающих со спутника, была создана лишь в конце 70-х годов. Системы навигации используются геодезистами, спасателями, работают на баллистических ракетах, для обеспечения безопасности граждан государства.

Принцип работы навигатора должен соответствовать основному требованию - точность определения пространственных и временных координат и возможность получать навигационную информацию в любой момент.

Принцип работы спутниковой системы заключается в следующем: приёмник навигационных сигналов измеряет задержку распространения сигнала от каждого из видимых спутников до приемника. Задержка сигнала, умноженная на скорость света, -- это расстояние от спутника в момент излучения до приемника в момент приема. Из принятого сигнала приемник получает информацию о положении спутника. Принцип работы спутниковой системы основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел -- мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Принцип работы навигатора и всей системы можно передать схематически: пользователь находится в точке пересечения нескольких сфер, центрами которых являются видимые спутники. Радиусы сфер равны дальности до каждого из спутников. Для определения широты и долготы приемнику необходимо принимать сигналы как минимум от трех спутников; прием сигнала от четвертого спутника позволяет определить и высоту объекта над поверхностью. Эти данные позволяют найти координаты пользователя, решив некоторую систему уравнений. Принцип работы навигатора требует дополнительной корректировки, поскольку при определении координат объекта возникают ошибки, связанные с влиянием ионосферы, температуры воздуха, атмосферного давления и влажности (каждый фактор вносит погрешность до 30 м). Эфемеридная погрешность (разница между расчетным и реальным положением спутника) составляет от 1 до 5 м; интерференция тоже вносит свой вклад. Суммарная ошибка может достигать 100 м. Для уменьшения погрешностей используется так называемый дифференциальный режим GPS (кстати, не будем забывать и про отечественный ГЛОНАСС). В этом режиме приемник пользователя получает поправки к своим координатам от базовой станции. Обычно поправки передаются в реальном времени по радиоканалу. В результате точность определения координат достигает 15 м.

Новым классом систем относительной навигации являются системы, обеспечивающие (в реальном времени) точность местоопределения порядка 1 см. Принцип работы спутника таков: опорная станция и приемник пользователя получают сигналы от спутников. Затем опорная станция посылает результаты измерения фазы и псевдодальности всех видимых спутников на приемник пользователя.

В результате обработки на приемнике относительные координаты определяются с точностью до 1 см в реальном времени с надежностью 0,999. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны.

Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. Принцип работы навигатора позволяет дополнительно накапливать и обрабатывать эти данные за определённый промежуток времени, благодаря чему становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т.д.

Как и любая другая система, навигация состоит из компонентов, выполняющих практические функции в рамках основных задач. Элементы спутниковой системы можно выделить следующие: Орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы; Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах; Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат.

2.2 Статистика полученных результатов

В архивах говорится о наблюдении ещё большего количества объектов: 781590 на 21-и площадках неба. В анализе данных телескопа приняли участие около 5 тысяч астрономов из 63 стран мира и 6 континентов (это едва ли не половина профессиональных астрономов в мире):

На основе полученных данных написано 58 кандидатских диссертаций, в том числе и в России. Планетные системы до и после “Кеплера” (Рис.2).

Рис. 1. Совокупность отчетов стран по годам

Рис. 2. Встречаемость планет у желтых карликов главной последовательности по данным нескольких алгоритмов

.

Рис. 3. Зависимость массы планеты от периода обращения

Рис. 4. Сведения в таблицу данных о зависимости радиуса планеты от периода обращения.

Целями наблюдений телескопа стали не только яркие звезды, но галактики, объекты Солнечной Системы и даже пустые участки неба. В последнем случае это было необходимо для оценки количества тусклых фоновых затменных звезд (всего с 5-ой по 17-ую кампанию миссии К2 наблюдалось 4160 таких пустых участков неба). Телескоп провел две наблюдательные компании по поиску планет в центральных областях галактики методом микролинзирования.

В ходе миссии К2 наблюдалось 2 звездных ассоциации возрастом меньше 10 миллионов лет, 17 рассеянных скоплений возрастом от 1 миллиона лет до 8 миллиардов лет и 2 шаровых скопления возрастом более 12 миллиардов лет.

Подобные наблюдения звезд разных возрастов позволяют изучить процессы планетообразования, в частности миграции. Для 16 тысяч звезд удалось определить периоды вращения, кроме того было зарегистрирована 61 сверхновая.

Телескоп провел целевые наблюдения 366 малых планет Солнечной Системы (12 астероидов главного пояса, 21 кометы, 77 ТНО, 243 троянцев Юпитера и астероидов семейства Хилда). Не меньшее количество объектов Солнечной Системы было найдено при случайных пролетах через области наблюдаемых целей. В ходе миссии К2 наблюдались и главные планеты Солнечной Системы (Нептун, Уран и Земля), а также бывшая планета Плутон.

Рис. 5. Сведение в таблицу данных об открытых телескопом КЕПЛЕР экзопланет (период, радиус, параллакс и т.д.)

В целом сейчас на “Кеплер” приходится 2/3 известных на сегодня планет. Наиболее уникальными открытиями “Кеплера” стали долгопериодические транзитные планеты с периодом обращения в несколько лет. Но и среди ярких и близких звезд доля открытий “Кеплера” сейчас велика. Так из 138 известных на сегодня транзитных планет и планетных кандидатов TESS, которые находятся ближе 100 парсек на долю “Кеплера” приходится 80 открытий (Рис.5)

Среди вышеперечисленных планет встречается и самая маленькая из известных транзитных планет. Речь идёт о системе Кеплер-37, где размер одной из планет меньше чем у Меркурия.

Рис. 6. Сведение в таблицу данных об открытых телескопом КЕПЛЕР экзопланет (яркость в фильтре V, публикация открытия транзитной первой планеты системы, радиусы известных транзитных планет и т.д.)

Из 31 известных систем транзитных планет у звезд ярче 9 звездной величин на открытия “Кеплера” приходится 8 систем (26%):

2.3 Обнаруженные редкие, особо интересные, уникальные объекты

Рис. 7. Одна из планет, обнаруженных телескопом, тащила за собой странный «хвост» из материи.

Одна из планет, обнаруженных телескопом, тащила за собой странный «хвост» из материи. При более тщательном изучении выяснилось, что он состоит из остатков этой же самой планеты, разорванной напополам мощнейшей гравитацией её родной звезды, превратившейся в белый карлик.

Рис. 8. Kepler-11 - одиночная звезда в созвездии Лебедя.

Звезда Kepler-11 является центром самой компактной из известных солнечных систем. Вокруг неё вращается шесть планет, каждая из которых крупнее Земли. И самая дальняя расположена от звезды на расстоянии Меркурия, который в нашей системе самый близкий. Как планеты Kepler-11 не врезаются друг в друга -- загадка, но система нормально функционирует миллионы лет.

Когда мы представляем себе обычную солнечную систему, мы часто воображаем планеты с огромными расстояниями между ними, как в нашей Солнечной системе. Однако Кеплеру удалось найти солнечную систему, в которой планеты расположены необычайно близко.

В этой системе есть звезда Kepler-11, которая похожа на наше Солнце. Шесть планет вращаются вокруг Kepler-11, каждая из которых больше Земли. Крупнейшая планета похожа по размерам на Нептун, который почти в четыре раза больше Земли.

Самая дальняя от Kepler-11 планета имеет орбиту, которая немногим больше, чем у Меркурия, ближайшей к нашему Солнцу планеты. У пяти других планет орбиты еще меньше, то есть эти огромные планеты ближе к своей звезде, чем любая планета в нашей Солнечной системе к Солнцу.

Огромные солнечные вспышки. Звёзды иных систем, схожие по размеру с Солнцем, иногда производят вспышки в миллионы раз мощнее всего того, что способна выдать звезда. Одна из теорий гласит, что это происходит, когда рядом со звездой проходит планета-гигант размером с Юпитер. Но иногда вспышки возникают и сами по себе -- и это крайне тревожит.

Рис. 9. Kepler-11. Иногда происходят вспышки в миллионы раз мощнее всего того, что способна выдать звезда.

Пытаясь понять другие звезды, мы часто обращаемся к нашему Солнцу. Поэтому, когда космический телескоп Кеплер обнаружил солнечные вспышки других звезд, которые в миллионы раз мощнее тех, что происходят на Солнце, наши ученые сделали выводы.

В случае с нашим Солнцем, вспышки берутся в процессе внутреннего магнитного пересоединения. Первоначально ученые считали, что для производства гигантских солнечных вспышек к звезде должна была подойти планета размером с Юпитер. Это была теория «горячего Юпитера».

Однако ученые не смогли обнаружить крупных планет поблизости, чтобы объяснить эти солнечные вспышки, тем самым опровергнув теорию. И хотя мы пока не знаем, почему они происходят, нам также не хотелось бы, чтобы и наше Солнце занималось подобными вещами. Солнечная вспышка такого масштаба могла бы уничтожить всю жизнь на Земле.

Как ни странно, ученые считают, что вследствие таких солнечных вспышек могла появиться органическая жизнь на других планетах. Но это, конечно, еще предстоит проверить охотникам на инопланетян.

Рис. 10. PH1 -- газовый гигант, по размеру чуть больше Нептуна, у которого сразу четыре солнца.

PH1 -- газовый гигант, по размеру чуть больше Нептуна, у которого сразу четыре солнца. Учёные до сих пор не могут понять, каким образом гравитация не разрывает планету на части, и та сохраняет стабильную орбиту.

HIP 116454b -- такое заковыристое название носит один из самых вероятных кандидатов на титул «СуперЗемля». Эта планета примерно в два с половиной раза больше нашей, и предположительно покрыта водой на 75%. Правда, она находится гораздо ближе к своей звезде, оранжевому карлику, и скорее всего там слишком горячо, чтобы существовала какая-либо жизнь.

Рис. 11. HIP 116454b - один из кандидатов на титул «СуперЗемля».

Дрожащая планета. Kepler-413b -- газовый гигант примерно в 65 раз тяжелее Земли, находящийся на орбите двух звёзд. Из-за этого его ось смещается на 30 градусов каждые 11 лет. Для сравнения, ось Земли за 26 тысяч лет сместилась только на 23.5 градуса. Если бы она была столь же нестабильна, что и у Kepler-413b, нас бы ждал полнейший хаос со временами года.

Рис. 12. Kepler-413b - дрожащая планета.

Kepler-413b -- это газовый гигант с массой в 65 земных. Но самый интересный аспект этой планеты не внешность или размер, а угол ее орбиты.

По мере вращения этого газового гиганта вокруг оранжевого карлика и красного карлика (который легче и более стабилен, чем оранжевый), планета покачивается на своей оси, как детский волчок. Ось Kepler-413b меняется на 30 градусов каждые 11 лет. Для сравнения: ось Земли сместилась на 23,5 градуса за 26 000 лет.

Если бы Земля переживала такие же жестокие смещения оси, как Kepler-413b, это производило бы чрезвычайно хаотический эффект на наши времена года. Kepler-413b также вращается слишком близко к своей звезде, чтобы на ее поверхности была жидкая вода, что делает планету непригодной для известной нам жизни.

Одно из открытий «Кеплера» касается общего количества «земных» планет в нашей галактике. По самым грубым подсчётам, при 100 миллиардах звёзд Млечного Пути мы можем рассчитывать на 17 миллиардов планет, по размеру равных Земле.

Среди открытий Кеплера не только отдельные планеты или звезды. Иногда астрономы используют его данные, чтобы делать прогнозы о нашей галактике Млечный Путь. Одним из таких предсказаний стала грубая оценка числа планет земных размеров в нашей галактике.

Исходя из данных телескопа, астрономы сделали вывод, что 17 процентов звезд Млечного Пути имеет планету земного размера на орбите. Порядка 25 процентов звезд галактики имеют «суперземлю» и еще 25 процентов на орбите имеют мини-Нептун.

Учитывая приблизительно 100 миллиардов звезд в Млечном Пути, можно подсчитать, что у нас есть 17 миллиардов планет размером с наш дом. И мы даже не начали учитывать «чужие Земли», планеты, на которых могла бы гнездиться жизнь, пока нам не известная.

Мы находим экзопланету по ее движению перед своим солнцем. Чем дальше экзопланета находится от своей звезды, тем длиннее орбита экзопланеты. Из-за этого экзопланету вроде Kepler-421b обнаружить сложнее с нашим оборудованием, потому что перед своей звездой она проходит относительно нечасто.

Сколько же придется ждать Нового Года на Kepler-421b? Порядка 704 дней. Это больше годовой орбиты Марса, которую планета завершает за 687 дней. Kepler-421b также имеет температуру поверхности в -92 градуса по Цельсию, и это еще одна хорошая причина воздержаться от переезда на эту экзопланету.

Рис. 13. Kepler-452b.

Планета Kepler-452b носит громкое название «Земля 2.0». Она тяжелее Земли в пять раз и процентов на 60 шире, но находится на том же расстоянии от местной звезды, что делает её крайне перспективной для возникновения жизни. Оттуда даже пытались поймать сигналы инопланетных радиоволн -- но, увы, безуспешно.

Рисунок 14. Звезда KIC 8462852 стала объектом пристального внимания астрономов из-за облака материи, вращающегося вокруг неё.

Звезда KIC 8462852 стала объектом пристального внимания астрономов из-за облака материи, вращающегося вокруг неё. Это типично для молодых, только формирующихся систем, но эта звезда была вполне зрелой. Энтузиасты тут же предположили, что вокруг звезды вращаются инопланетные аппараты для сбора энергии… но никаких подтверждений этому не обнаружилось.

2.4 Фотографии, сделанные телескопом «Кеплера»

телескоп кеплер спутниковый научный

1. Бектасова Н.К., Диденко А.В., Каримова Л.М., Макаренко Н.Г. Детерминированный хаос из кривой блеска ГСС // Письма в АЖ , 1994, Т. 20, № 12, С. 928-933.

2. Григоревский В.А., Колесник С.Я. Отражение света космическими объектами с регулярной зеркальной поверхностью // Астрономический вестник, М., 1978, Т. 12, № 2, С. 107-119.

3. Диденко А.В. Идентификация геостационарных спутников DSP по их орбитальным и фотометрическим характеристикам // Вестник КазНПУ им. Абая, Сер. "Физ-мат. науки", № 1(12), 2005, С. 76-80.

4. Диденко А.В., Усольцева Л.А. Об определении периодов вращения геостационарного спутника (ГСС) вокруг центра масс // Известия НАН РК, сер. "физ-мат.", №4, 2007, С.90-93.

5. Интернет-сайт «Наука и техника», Космический телескоп «Кеплер» и его открытия [Электронный ресурс]. - https://vseonauke.com

6. Интернет-сайт «Журнал о космосе» Космический телескоп «Кеплер» [Электронный ресурс]. - https://aboutspacejornal.net

7. Интернет-сайт «Популярная механика ПМ» [Электронный ресурс]. - https://www.popmech.ru

8. Интернет-сайт «Gunter's Space Page»[Электронный ресурс]. - http://www.skyrocket.de/space

9. Муртазов А.К. Оптические свойства поверхностей ИКО и техногенных отходов в космосе // Околоземная астрономия и проблемы изучения малых тел солнечной системы, М., 2000, С. 262-268.

10. Северный С.А., Смирнов М.А., Багров А.В. Определение формы искусственного спутника Земли по фотометрическим наблюдениям // Научные информации, М., 1986, № 58, С. 103-105.

11. Didenko A.V., Usoltzeva L.A. Mеthods of geostationary satellites' identification by the photometric information // Transaction of the KAU, 2001, № 2, Р. 83-91.

Размещено на Allbest.ru